(57)【要約】【課題】  よりエネルギー効率の高い燃料電池システム及び酸化ガス供給方法を提供する。【解決手段】  燃料電池２０と、該燃料電池２０に空気（酸化ガス）を供給する空気供給路（酸化ガス供給路）７１と、該燃料電池２０に水素（燃料ガス）を供給する燃料ガス供給路７４とを備えた燃料電池システムにおいて、空気供給路７１に、燃料電池２０に供給される酸化ガスを加圧して送り出す水素用タービンシステム１０のコンプレッサ１０ａ（第１のコンプレッサ）を設けた。該コンプレッサ１０ａは、前記燃料電池２０から排気される水素オフガスの圧力によって駆動される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路と、前記燃料電池から排気された酸化ガスのオフガスを導く酸化ガス排気路と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料電池から排気された燃料ガスのオフガスを導く燃料ガス排気路とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記酸化ガス供給路には、前記燃料電池に供給される酸化ガスを加圧して送り出す第１のコンプレッサが設けられ、
該第１のコンプレッサは、前記燃料ガス排気路を流通する燃料ガスのオフガスの圧力によって駆動される、燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化ガス供給路には、前記酸化ガス排気路を流通する酸化ガスのオフガスの圧力により駆動される第２のコンプレッサが設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１のコンプレッサ及び前記第２のコンプレッサのうち前記酸化ガス供給路の下流側に設けられたコンプレッサと、前記燃料電池との間には、所定の設定圧力以上になると開いて前記酸化ガス供給路内の圧力を逃がす、リリーフ弁が設けられている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの酸化ガス供給方法であって、
前記燃料電池から排気された燃料ガスのオフガスの圧力を利用して前記燃料電池に酸化ガスを圧送する、燃料電池システムの酸化ガス供給方法。
【請求項５】
前記燃料電池から排気された酸化ガスのオフガスの圧力をも更に利用して前記燃料電池に酸化ガスを圧送する、請求項４記載の燃料電池システムの酸化ガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池システム及び酸化ガス供給方法に係り、特に、燃料電池システム全体のエネルギー効率の向上に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両に搭載される燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池に酸化ガス（例えば、空気）を供給する酸化ガス供給路と、該燃料電池に燃料ガス（例えば、水素）を供給する燃料ガス供給路とを備え、燃料電池において水素と空気とによる電気化学反応によって発電が行われる。燃料電池に対して空気を供給する手段としては、電動コンプレッサが用いられている。
【０００３】
しかしながら、燃料電池に対して必要な流量及び圧力の空気を供給するためには大型のコンプレッサを用いる必要があるため、ガス供給に大きな電力を必要として燃料電池システムのエネルギー効率が低下する、という問題がある。加えて、コンプレッサの駆動音によって燃料電池車両の静粛性が損なわれる、という問題もある。一方、燃料電池の酸化ガス供給方法に関しては、例えば特許文献１に開示の技術が知られている。
【特許文献１】特開２００４-２４７０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、燃料電池に対して空気を供給するにあたり、燃料ガス供給路内の水素圧によってタービンを駆動し、該タービンの駆動力と電動コンプレッサとを組み合わせて空気の供給を行っている。しかしながら、水素供給側にタービンがあると、水素供給圧に影響が及ぶため、水素極側への供給圧制御が困難になることはもとより、空気極側の圧力制御も困難になる。そして、両極間の供給圧バランスが悪いと、燃料電池の発電効率が低下するので、燃料電池システムのエネルギー効率も低下する。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、よりエネルギー効率の高い燃料電池システム及びその酸化ガス供給方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路と、前記燃料電池から排気された酸化ガスのオフガスを導く酸化ガス排気路と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料電池から排気された燃料ガスのオフガスを導く燃料ガス排気路とを備えた燃料電池システムにおいて、前記酸化ガス供給路には、前記燃料電池に供給される酸化ガスを加圧して送り出す第１のコンプレッサが設けられ、該第１のコンプレッサは、前記燃料ガス排気路を流通する燃料ガスのオフガスの圧力によって駆動される。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムの酸化ガス供給方法は、酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの酸化ガス供給方法であって、前記燃料電池から排気された燃料ガスのオフガスの圧力を利用して前記燃料電池に酸化ガスを圧送する。
【０００８】
以上の構成によれば、燃料ガスのオフガスの圧力を利用して、酸化ガス供給路の酸化ガスが加圧される。よって、第１のコンプレッサが燃料ガス供給圧を利用して駆動される場合と比較して、燃料ガス供給圧に及ぶ影響が少なくなる結果、燃料電池への燃料ガス供給圧および酸化ガス供給圧の制御が容易になり、供給圧バランスが悪化することによる発電効率の低下が抑制される。
【０００９】
酸化ガス供給用として電動コンプレッサが設けられている場合には、電動コンプレッサを小型化すること、電動コンプレッサの運転を始動時のみに限定すること、及び電動コンプレッサの消費電力を削減することが可能となる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、前記酸化ガス供給路には、前記酸化ガス排気路を流通する酸化ガスのオフガスの圧力により駆動される第２のコンプレッサが設けられていてもよい。
【００１１】
上記燃料電池システムの酸化ガス供給方法においては、前記燃料電池から排気された酸化ガスのオフガスの圧力をも更に利用して前記燃料電池に酸化ガスを圧送してもよい。
【００１２】
以上の構成によれば、燃料ガスのオフガスの圧力、さらには酸化ガスのオフガスの圧力を利用して、酸化ガス供給路の酸化ガスが加圧される。したがって、酸化ガス供給用として電動コンプレッサが設けられている場合には、電動コンプレッサの更なる小型化、電動コンプレッサの運転時間の更なる短縮、及び電動コンプレッサの消費電力の更なる削減が可能となる。
【００１３】
第１及び第２のコンプレッサの駆動力は、例えば、燃料ガス排気路または酸化ガス排気路にタービンを設け、これら排気路内の排出ガス圧によってタービンを回転させて得ることができる。
【００１４】
前記第１のコンプレッサ及び前記第２のコンプレッサのうち前記酸化ガス供給路の下流側に設けられたコンプレッサと、前記燃料電池との間には、所定の設定圧力以上になると開いて前記酸化ガス供給路内の圧力を逃がす、リリーフ弁が設けられていてもよい。
【００１５】
このような構成によれば、酸化ガス供給路を形成する配管、酸化ガス供給路上に配設された機械要素、及び燃料電池（特に、燃料電池内の電解質膜）を第１のコンプレッサ及び第２のコンプレッサによる圧力の異常上昇から保護することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料ガスのオフガスのエネルギーを有効活用して、酸化ガス供給路の酸化ガスが加圧されるので、燃料ガス供給圧と酸化ガス供給圧とのバランスが悪化することによる発電効率の低下が抑制される。また、酸化ガス供給用の電動コンプレッサ等を備える場合には、該電動コンプレッサの小型化，運転時間の限定・短縮，及び消費電力の削減も可能になる。以上より、燃料電池システム全体のエネルギー利用効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明に係る燃料電池システム及び酸化ガス供給方法の一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システム及び酸化ガス供給方法を燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池セル（単位セル）を所要数積層した燃料電池スタックとして構成された燃料電池２０を備えている。燃料電池２０は、空気供給路（酸化ガス供給路）７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される酸化ガスとしての空気（外気）と、水素供給源３０から燃料ガス供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される燃料ガスとしての水素を用い、電気化学反応によって発電する装置である。
【００１９】
燃料電池２０が発電された電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うＤＣ-ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００２０】
空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、水素用タービンシステム１０が有するコンプレッサ（第１のコンプレッサ）１０ａ、エア用タービンシステム１１が有するコンプレッサ（第２のコンプレッサ）１１ａ、流量計１２、圧力計１３、リリーフ弁１４、および、空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される電動コンプレッサである。
【００２１】
リリーフ弁１４は、所定の設定圧力以上になると開弁して空気供給路７１内の空気の圧力を逃すことのできる、いわゆる安全弁である。この所定の設定圧力は、上記タービンシステム１０，１１による圧力の異常上昇から、例えば酸化ガス供給路７１、該酸化ガス供給路７１に配設された各機械要素、および燃料電池２０内の電解質膜等を保護する観点等から設定される。
【００２２】
水素用タービンシステム１０は、後述の水素循環路（燃料ガス排気路の一部）７５を流れる水素オフガス（燃料ガスのオフガス）の圧力を利用してタービンを回し、空気供給路７１を流れる空気を加圧して送り出す装置である。エア用タービンシステム１１は、後述する酸化ガス排気路７２を流れる空気オフガス（酸化ガスのオフガス）の圧力を利用してタービンを回し、空気供給路７１を流れる空気を加圧して送り出す装置である。
【００２３】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、酸化ガス排気路７２を経て外部に放出される。酸化ガス排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、加湿器Ａ２１の熱交換器、および、上述のエア用タービンシステム１１が有するタービン１１ｂが設けられている。圧力調整弁（減圧弁）Ａ４は、燃料電池２０への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。コンプレッサＡ３及び圧力調整弁Ａ４が調整されることによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量が設定される。
【００２４】
水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。燃料ガス供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁（水素供給バルブ）Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と燃料ガス供給路７４間を開閉する遮断弁（ＦＣ入口弁）Ｈ２１が設けられている。
【００２５】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料ガス供給路７４の調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、燃料電池２０と循環路７５を連通／遮断する遮断弁（ＦＣ出口弁）Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、上述の水素用タービンシステム１０が有するタービン１０ｂ、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０及び逆流阻止弁（逆止弁）Ｈ５２が設けられている。
【００２６】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素オフガスは、燃料ガス供給路７４との合流部にて水素供給源３０からの新たな水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料ガス供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。
【００２７】
水素循環路７５は、排出制御弁（パージ弁）Ｈ５１を介してパージ流路７６によって酸化ガス排気路７２に接続される。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。
【００２８】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００２９】
なお、制御部５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成されている。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。
【００３０】
以上のように構成された燃料電池システムにおいて、燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０より燃料ガス供給路７４を介して燃料電池２０に供給され、酸化ガスとしての空気は、コンプレッサＡ３によって加圧されて空気供給路７１内を流通し、燃料電池２０に供給される。空気は、空気供給路７１を流通する過程において水素用タービンシステム１０のコンプレッサ１０ａおよびエア用タービンシステム１１のコンプレッサ１１ａによってさらに加圧される。
【００３１】
燃料電池２０では電気化学反応による発電が発生し、水素オフガス及び空気オフガスが排気される。燃料電池２０から排気された水素オフガスは、水素ポンプＨ５０によって加圧されることにより水素循環路７５を経て燃料ガス供給路７４に流入し、燃料電池２０に再び供給される。その過程においてタービン１０ｂを回転させ、その駆動力によって前述のコンプレッサ１０ａが駆動される。
【００３２】
一方、燃料電池２０から排気された空気オフガスは、酸化ガス排気路７２を経て外気に放出されるが、その過程においてタービン１１ｂを回転させ、その駆動力によって前述のコンプレッサ１１ａが駆動される。
【００３３】
制御部５０は、コンプレッサＡ３、水素用タービンシステム１０、およびエア用タービンシステム１１の３系統を監視し、流量計１２および圧力計１３からの出力結果に基づいてコンプレッサＡ３をフィードバック制御することにより、燃料電池２０に供給される空気流量、圧力を調整する。ただし、酸化ガス供給路７１内の空気圧力が上記所定の設定圧力以上になると、リリーフ弁１４が開き、異常上昇した圧力は酸化ガス供給路７１の外に逃げる。
【００３４】
本実施形態に係る燃料電池システム１及びその空気供給方法では、水素オフガスおよび空気オフガスの圧力を利用して空気供給路７１の空気を加圧（過給）する。すなわち、コンプレッサ１０ａ，１１ａがコンプレッサＡ３の補助となる。したがって、コンプレッサＡ３を小型化できるとともに、コンプレッサＡ３の駆動音に由来する騒音を小さくすることができ、さらにはコンプレッサＡ３を駆動するモータの消費電力を削減することができる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、燃料電池２０から排気された水素オフガスによってタービン１０ｂを回転させ、その駆動力によってコンプレッサ１０ａが駆動されるので、コンプレッサ１０ａが水素ガス供給圧を利用して駆動される場合と比較して、水素ガス供給圧に及ぶ影響は少ない。よって、燃料電池２０への水素ガス供給圧および空気供給圧の制御が容易になり、水素側と空気側の供給圧バランスが悪化することによる発電効率の低下が効果的に抑制される。
【００３６】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池システム１及びその空気供給方法では、水素オフガス及び空気オフガスのエネルギーを有効活用することにより、上記消費電力の削減と発電効率の低下抑制とが両立し、燃料電池システム全体のエネルギー利用効率を向上させることができる。特に、本実施形態においては水素用タービンシステム１０とエア用タービンシステム１１とによるツインタービンシステムとしていることで、より高い効果を得ることができる。
【００３７】
さらに、コンプレッサＡ３を起動時にのみ限定使用し、定常運転時には水素用タービンシステム１０とエア用タービンシステム１１のみによって空気を燃料電池２０に供給することもできる。このような酸化ガス供給方法によれば、より一層高いエネルギー効率と静粛性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態として示した燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…燃料電池システム、１０…水素用タービンシステム、１０ａ…コンプレッサ（第１のコンプレッサ）、１０ｂ…タービン、１１…エア用タービンシステム、１１ａ…コンプレッサ（第２のコンプレッサ）、１１ｂ…タービン、１４…リリーフ弁、２０…燃料電池、３０…水素供給源、７１…空気供給路（酸化ガス供給路）、７２…酸化ガス排気路、７４…燃料ガス供給路、７５…水素循環路（燃料ガス排気路）
【図１】
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